Figure 1. COM-HPC Mini est l'ajout le plus important à la version 1.2, élevant les performances des clients embarqués haut de gamme vers les appareils mobiles et fixes avec des contraintes d'espace extrêmes.
La publication Markt & Technik s'entretient avec Christian Eder, président du groupe de travail COM-HPC et directeur de Market Intelligence chez congatec, sur les principales innovations de ce standard encore jeune pour les modules COM hautes performances.
Monsieur Eder, la spécification COM-HPC existe depuis deux ans et demi. Comment la demande a-t-elle évolué au cours de cette période ?
COM-HPC est conçu pour les modules COM (Computer-on-Modules) hautes performances qui peuvent être utilisés comme serveurs modulaires et comme clients modulaires. Il existe une forte demande pour de tels modules en raison des exigences croissantes en matière de numérisation et d'IIoT, de l'utilisation de l'intelligence artificielle, de la connaissance de la situation basée sur la vision et des besoins en spirale en matière de traitement des données. Les développeurs travaillant sur de nouvelles conceptions dans ces domaines d'application sont convaincus que les modules COM-HPC sont la bonne solution. Près d'un nouveau projet sur deux dans toute la gamme des normes PICMG, y compris COM Express et COM-HPC, utilise COM-HPC, et les premières solutions OEM dotées de 12e processeurs Intel Core sont déjà en production de masse et de 13e génération et Intel Xeon D. Ainsi, le lancement de COM-HPC s'est déroulé de manière extrêmement fluide et l'acceptation a été élevée dès le début. La situation était très différente lorsque la spécification COM Express a été publiée. A cette époque, nous devions convaincre beaucoup plus. Il y a sans aucun doute un grand avantage à impliquer des organismes indépendants des fabricants, tels que le PICMG, dans la spécification de nouveaux facteurs de forme.
Que peuvent attendre les clients de la nouvelle révision ?
Certaines améliorations mineures ont été apportées aux spécifications qui rendent la norme encore plus universellement applicable et améliorent la robustesse des conceptions. Cependant, l'innovation la plus importante est l'incorporation d'un nouvel encombrement modulaire ultra-compact : COM-HPC Mini. Cette nouvelle spécification offre des fonctionnalités hautes performances dans un format particulièrement petit de seulement 95 mm x 70 mm. Même les appareils disposant d'un espace limité peuvent désormais bénéficier de l'interface spacieuse à 400 broches et d'une offre de bande passante plus élevée. Cela inclut Thunderbolt et PCIe Gen 5, ainsi que Gen 6 à l'avenir, une fois que les processeurs correspondants seront disponibles.
COM-HPC s'impose ainsi comme la norme la plus évolutive pour les modules COM couvrant un large éventail d'applications, depuis les conceptions à petit facteur de forme jusqu'aux serveurs Edge. Cela simplifie le processus de conception et facilite le développement de familles de produits complètes. Étant donné que les modules COM-HPC prennent en charge non seulement des processeurs spécifiques tels que x86 ou Arm, mais également des FPGA, des ASIC et des accélérateurs d'IA, ils constituent un standard complet pour le développement d'applications innovantes basées sur les derniers systèmes embarqués et technologies Edge Computing.
Pourquoi la spécification Mini est-elle si importante ?
D’une part, les appareils embarqués disposent toujours d’un espace limité, et même les plus petits ont besoin d’une énorme bande passante pour l’intelligence.
Conscience artificielle et situationnelle. D'autre part, l'encombrement de 95 mm x 70 mm est parfait pour la migration de COM Express vers COM-HPC. En termes d'encombrement, les modules COM-HPC Mini s'intègrent dans n'importe quelle conception développée sur la base de COM Express Basic (95 mm x 120 mm) ou Compact (95 mm x 95 mm). Cela rend la migration beaucoup plus facile, c'est pourquoi nous attendons beaucoup de ce facteur de forme à long terme.
Mais COM-HPC Mini possède 10 % de broches en moins que COM Express Type 6. Cela ne limite-t-il pas les capacités ?
Non. COM-HPC Mini est destiné aux petits appareils mobiles, et non aux systèmes stationnaires, souvent très complexes, dotés d'innombrables interfaces. Les développeurs qui ont pleinement profité de COM Express Type 6 sont principalement des utilisateurs de COM Express Basic. Ils migrent vers COM-HPC taille A. Après tout, ils ne veulent pas perdre la possibilité de proposer un nombre d'interfaces nettement plus important. Avec ses dimensions de 95 mm x 120 mm, ce facteur de forme est également légèrement plus petit que le COM Express Basic de 95 mm x 125 mm et offre une variété et une densité d'interface extrêmement élevées. Le simple fait qu'il intègre 800 broches au lieu de 440 offre plus d'interfaces et de bande passante. De plus, les interfaces rapides comme PCI Express ou Ethernet sont encore plus rapides dans COM-HPC.
Théoriquement, l'augmentation possible des performances de l'interface de COM Express Type 7 (Rev. 3.0) au serveur COM-HPC est d'environ un facteur 15. De COM Express (Rev. 3.0) au client COM HPC, les performances d'E/S peuvent même être multiplié par 17.
Outre le facteur de forme et le connecteur à 400 broches, existe-t-il d'autres différences entre COM HPC Mini et les autres facteurs de forme COM-HPC ?
Oui, l'affectation des broches est différente. Dans certains cas, il comprend plusieurs options pour permettre la mise en œuvre d'autant de configurations que possible avec les 400 broches afin d'offrir une flexibilité maximale dans le plus petit encombrement. L'allocation de tension des signaux en bande latérale a également été adaptée pour réduire les besoins en énergie et, plus important encore, pour prendre en charge les processeurs basse consommation, qui fonctionnent de plus en plus à 1,8 volts. Cela simplifie à la fois la conception des modules et du fond de panier, car moins de convertisseurs de niveau sont nécessaires par rapport au maintien des mêmes spécifications pour des facteurs de forme COM-HPC plus grands. Par conséquent, il n'est pas possible d'installer des modules COM-HPC Mini sur une carte mère conçue pour la taille A car les deux facteurs de forme sont incompatibles, tant sur le plan électrique qu'en termes d'affectation des interfaces. Le dissipateur thermique est également plus plat pour permettre des conceptions plus fines. De plus, la prise en charge MIPI-CSI n'est pas assurée via le connecteur 400 broches, mais plutôt via deux connecteurs plats supplémentaires à 22 broches.
Ainsi, en fait, la spécification COM-HPC Mini comporte 444 broches. Cette approche de conception avec des connecteurs supplémentaires a été adoptée par analogie avec SMARC et COM Express, où elle a déjà fait ses preuves. Par rapport à d'autres facteurs de forme mini, il existe également un autre chiffre qui montre pourquoi COM-HPC Mini représente le haut de gamme absolu : en plus du nombre de broches plus élevé, la prise en charge jusqu'à 107 watts laisse des réserves de puissance nettement plus importantes que les 15 watts qui sont généralement possible avec SMARC.
Figure 2. COM-HPC 1.2 spécifie un nouveau connecteur pour toutes les tailles COM-HPC. Sa fiche augmente la stabilité de la connexion entre la carte et le connecteur.
Pourriez-vous nous expliquer un peu le multiplexage ? Cela ne conduit-il pas à des configurations arbitraires, qui peuvent conduire à des incompatibilités ?
Par rapport au client COM-HPC, avec son nombre de broches plus élevé, la spécification Mini offre 8 canaux de données à haut débit pour les lignes de données USB 3.x/USB 4 rapides et pour les interfaces d'affichage numérique (DDI). Cependant, tous les canaux de données ne peuvent pas être utilisés à toutes fins. Par conséquent, nous avons prédéfini cinq options flexibles pour faire évoluer les 8 voies SuperSpeed entre les affectations DDI et USB. En plus de 2x DDI et 4x USB3 d'un côté et 4x USB4 de l'autre, des variantes avec 1x DDI, 1x USB4 et 4x USB3, ainsi que 1xDDI, 2x USB4 et 2 USB3, et 3x USB4 et 2x USB2 sont également possibles. Toutefois, ce sont les seules missions autorisées, ce qui garantit une sécurité de planification. Il en va de même pour l'attribution de PCIe, Ethernet et SATA.
Les développeurs d'Arm connaissent depuis longtemps le principe SERDES introduit avec COM-HPC, qui s'est avéré efficace. Cependant, pour comprendre le potentiel de chaque module individuel, il est nécessaire de prendre en compte le nombre nettement plus important de combinaisons. Dans une certaine mesure, SATA est également une concession aux conceptions existantes actuelles. Cependant, cette option est rarement utilisée car les nombreuses interfaces PCIe permettent également un stockage de masse flash NVME rapide.
Figure 3. Le nouveau facteur de forme Mini complète la spécification COM-HPC, ce qui en fait la norme COM la plus évolutive du marché.
Jetons un coup d'œil au portefeuille de serveurs COM-HPC. Qu'est-ce qui apparaît ici ?
Lorsque les processeurs Intel Xeon D, nommés Ice Lake D, ont été lancés, il était intéressant de noter que les constructeurs OEM ne semblent pas avoir besoin de toute la bande passante mémoire de ces processeurs. Cela signifie qu'ils peuvent compter sur la taille D, qui n'offre que 4 emplacements RAM au lieu de 8. La raison de ce phénomène est que les applications de serveur Edge critiques mixtes n'ont pas besoin de gérer des charges de travail de serveur gourmandes en RAM. Au contraire, ils doivent héberger plusieurs applications temps réel en parallèle et ont donc besoin d'autant de cœurs que possible. Ils doivent également répondre aux exigences de la communication industrielle avec de nombreux petits paquets de messages qui doivent être traités en temps réel. Dans ce cas également, l'espace mémoire n'est pas aussi crucial que dans les serveurs Web dont les bases de données sont utilisées simultanément par des milliers de personnes.
Passons maintenant aux nouvelles fonctionnalités qui s'appliquent à tous les facteurs de forme de la spécification. Quels sont les changements les plus significatifs ?
Il y a deux points à mentionner : Premièrement, le connecteur a été optimisé pour augmenter encore la robustesse. Deuxièmement, COM-HPC est désormais entièrement qualifié PCIe Gen 6.
Figure 4. COM-HPC Mini dispose de plusieurs affectations de broches multiplexées, telles que SERDES pour PCIe, GbE et SATA. Les 8 canaux SuperSpeed peuvent également avoir différentes interfaces DVI et USB.
Le nouveau connecteur affecte-t-il également la carte mère ?
Oui, deux petits trous sont nécessaires pour augmenter la robustesse. Et les renforts métalliques sur les côtés du connecteur sont soudés pour augmenter la stabilité mécanique. A part ça, rien ne change. Le nouveau connecteur renforcé ne peut être utilisé que si le deuxième trou est également présent. Cependant, l'ancien et le nouveau connecteur peuvent être utilisés avec le même processus de soudage SMT. En ce sens, seule une petite modification dans la conception de la carte mère est nécessaire pour se conformer à la version 1.2. Même si je prévois que l’ancien connecteur sera toujours disponible, il est logique de l’éviter pour les nouvelles conceptions de cartes mères. Le changement ne pose aucun problème : les anciens et les nouveaux connecteurs peuvent être utilisés dans toutes les combinaisons. A noter que le nouveau connecteur sera disponible chez au moins trois fabricants. Outre Samtec, Amphenol et All Best, cette nouvelle variante peut désormais également être fabriquée sous licence, ce qui permet des stratégies de deuxième approvisionnement.
Quelles modifications ont dû être apportées aux conceptions PCIe Gen 6 ? Existe-t-il déjà des processeurs compatibles avec cette bande passante et qui a besoin de ces performances ?
De manière générale, il est déjà possible de concevoir des cartes mères pour la Gen 6 même s'il n'existe pas encore de processeurs compatibles Gen 6. Cependant, ils seront disponibles dans un avenir pas trop lointain. Pour les intégrer, la carte mère doit être préparée pour la modulation PAM4 au lieu de PAM2. En plus des valeurs 0 et 1, celui-ci utilise deux étages intermédiaires, avec 2 bits au lieu de 1 par transmission. Comme cette mise à niveau ne modifie pas les fréquences transmises, peu de nouveaux défis en matière d’intégrité du signal sont attendus. Cependant, une conception soignée reste importante, car la génération 6 nécessite une attention encore plus grande au bruit du signal que la génération 5. La bande passante plus élevée de 8 Go/s par canal est nécessaire, par exemple, pour les graphiques. Cela permet jusqu'à 128 Go/s sur 16 canaux, ce qui permet de transmettre des images de résolution de plus en plus élevée à des débits plus rapides et avec une plus grande profondeur de couleur. Le 100 GbE est déjà la norme dans de nombreux domaines et cette bande passante doit également être transmise au processeur. L'USB devient également plus rapide.
Des conceptions embarquées robustes sont-elles possibles avec ces augmentations de performances ?
Heureusement, nous avons des avancées positives dans les processus de fabrication vers 7 nm et moins, ainsi que dans la technologie 3D. Cela permet de doubler les performances avec le même TDP. Nous lancerons bientôt de nouveaux processeurs dotés exactement de cette capacité. Par conséquent, nous pouvons encore augmenter les performances en restant dans les limites de performances grâce au refroidissement passif. C’est également le seul moyen de développer des systèmes embarqués répondant à des exigences de plus en plus exigeantes en matière de durabilité, notamment de neutralité climatique.
Merci beaucoup, M. Eder, pour cette interview.
Figure 5. Lors du déploiement de modules de serveur COM-HPC, les OEM embarqués ont toujours tendance à utiliser la taille D avec 4 emplacements RAM. En effet, de nombreux petits paquets de données doivent généralement être traités en temps réel à la périphérie. Il existe cependant des solutions à 8 sockets pour des besoins de mémoire plus importants.
